JPS585583B2 - 超電導回転機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超電導回転機、特にその極低温冷媒供給装置と
回転子との間の連結構造の改良に関する公知のように超
電導回転機の一般構造は第１図に示す如く構成されてい
る。

図において１は電機子コイル２を備えた固定子、３は回
転子であり、回転子３はクライオスタットを兼ねた真空
回転容器として構成され、超電導コイル４としてなる界
磁コイルを備えたトルクチューブ５と中空回転主軸６と
中空回転主軸１とからなる。

主軸６，７は左右の軸受８で軸支されている。

上記における超電導コイル４を超電導状態に維持するた
めには、超電導コイル４を極低温に冷却保持する必要が
ある。

このために中空回転主軸６側にて、主軸に極低温冷媒供
給装置９が一体に設置され、該装置を介して図示されて
ない機外の冷凍機より冷媒管路を通じて冷媒として使用
される液体ヘリウムの供給、冷却後に気化したヘリウム
ガスの回収が行われる。

図中９ａが固定側の冷媒供給管、９ｂが冷媒戻り管を示
す。

供給管９ａより導入された液体ヘリウムは中空回転主軸
６を通じる冷媒係給パイプ１０を通して超電導コイル４
へ供給され、これを冷却する。

超電導コイル４を冷却して一部ガス化したヘリウムガス
は戻りパイプ１１を通して冷媒供給装置９に至り、ここ
から固定側の戻り管９ｂを通じて冷凍機へ回収される。

なお図示例では回転子内の超電導コイル４より出た冷媒
戻りパイプ１１は略示的に１系路として示したが実際に
は２系路に分かれ、一方は超電導コイル４の外周を包囲
する熱輻射シールド板を冷却すると共に軸端からの侵入
熱を吸収する熱交換器を経由し、他方は超電導コイルと
しての界磁コイルとスリップリングを接続するパワーリ
ードを冷却するよう経由している。

また冷媒供給装置９は中空回転軸に対し、符号１２で示
す左右２個の軸受で軸支され、その軸端は軸封シール１
３でシールされている。

更に固定側の冷媒供給管９ａは図示のように軸端開ロへ
軸方向距離の長い細隙を隔てて遊嵌され熱伝導やヘリウ
ムガスの対流による熱侵入を防止している。

このように前記細隙を維持するために軸受１２は特に軸
受すきまが少さく、運転中にも振れ回わりの生じないこ
ろがり軸受が採用されている。

上述の如く従来における超電導回転機では、回転子３と
冷媒供給装置９０回転部とが一体に組立構成され、しか
も回転子３は左右２個の軸受８に軸支され、更に冷媒供
給装置にて別な２個のころがり軸受１２に支承されてい
る。

しかしながら回転子を同時に３個以上の軸受で支承させ
ることは組立に際しての軸受の芯出し作業が厄介である
。

また特に大容量機になると回転子３０重量が犬であるか
ら、軸受８としてはころがり軸受を用いずに大きな軸受
荷重を支持できるすべり軸受が使用されることになるが
、このすべり軸受は周知のようにころがり軸受に較べて
軸受すきまが犬に設定されており、このために回転に伴
って油膜形成による回転軸の浮上、或いは振れ回わりを
生じ、不安定である。

この結果回転子をすべり軸受で軸支した超電導回転機で
は、回転主軸のふれまわりにより冷媒供給装置側におけ
るころがり軸受１２に無理な応力が加えて焼損する恐れ
もあるし、加えて回転子３の主軸端に遊嵌された固定側
冷媒供給管９ａとの間の細隙維持が困難となり、冷媒供
給管９ａが回転主軸に触れて破損する恐れもある。

かかる点にかんがみ本発明は回転子をすべり軸受で軸支
する大容量機に対しても、冷媒供給装置には回転子側か
ら不当な曲げモーメントが加わる恐れがなく、円滑な冷
媒の供給排出が行えるともに、加えて運転中の熱応力の
発生防止、回転子据付に際しての芯出し作業の簡易化な
どが図れる有利な超電導回転機を提供することを目的と
する。

この目的達成のために本発明によれば、超電導回転機は
クライオスタットを兼ねる中空回転主軸内を通して超電
導コイル冷却用の極低温冷媒供給パイプおよび戻りパイ
プを配置した回転子と、軸支された中空回転体内に機外
の冷媒回路と連通ずる極低温冷媒供給パイプおよび戻り
パイプを配置した前記回転子とは独立構成になる冷媒供
給装置と、前記回転子と冷媒供給装置との間に介在配置
されて冷媒供給パイプ同志の間、冷媒戻りパイプ同志の
間、および各冷媒パイプを収設した回転子の中空回転主
軸と冷媒供給装置の回転体との間をそれぞれ個別に連結
する金属ベローを設けてなる可撓カツプリングとを備え
て構成される。

以下本発明に基づく実施例を図面について詳細に説明す
る。

先ず本発明に基づく超電導回転機の基本構成を第２図に
示す。

即ち図において１４が回転子とは別部品として独立構成
された冷媒供給装置であり、固定部１４ａに対し左右２
個のころがり軸受１２により回転体１４ｂが支承されて
いる。

１４ｃは冷媒供給口、ｌ４ｄ，１４ｅはそれぞれ別系路
の冷媒戻り口であり、機外の冷媒管路を介して図示され
てない冷凍機に接続されているしかして前記、回転体１
４ｂはクライオスタットを構成する中空軸の一部として
なり、詳細を後述するよ５に回転体１４ｂ内には前記冷
媒供給口１４ｃ、冷媒戻り口１４ｄ，１４ｅにそれぞれ
連通する冷媒供給パイプ、冷媒戻りパイプが収容配置さ
れている。

一方６は超電導回転機における回転子の中空回転主軸で
あり、第１図で述べたと同様に主軸６内には超電導コイ
ル冷却用の冷媒供給パイプおよび冷媒戻りパイプが収容
配置されている。

１５が本発明に基づき回転軸６と冷媒供給装置１４との
間に介在配置された可撓カップリングである。

なお回転主軸６、回転体１４ｂ、可撓カツプリング１５
内は真空に保持されている。

次に第３図ａ，ｂにより第２図Ｐ部内の可撓カツプリン
グ１５の詳細構造を説明する。

図示実施例において回転子の中空回転軸６および冷媒供
給装置１４の回転体１４ｂ内にそれぞれ配置された冷媒
供給ｎイプ１６．１７は軸中心に配置されている，更に
それぞれ二重同心パイプとしてなる別系路の冷媒戻りパ
イプ１８．１９と２０．２１はそれぞれ前記の供給パイ
プ１６，１７の外周に同心配置され、各冷媒パイプの相
互間に真空断熱層２２が区画形成されている。

このように各冷媒パイプを真空断熱層２２を介して同心
配置にし、しかも極低温の液体ヘリウムが通流される冷
媒供給パイプを中央に配置することにより液体ヘリウム
に対する熱しゃへい特性がよく、かつ中空軸内でのスペ
ースファクターも高く構成できる。

上記の冷媒パイプの配置に対して可撓カツプリング１５
は次のように構成されている。

先ず回転主軸６の軸端と回転体１４ｂの軸端には真空外
筒２３，２４が０リング、固定ボルトを介して連結され
、真空外筒２３，２４間に跨って金属ベロー２５が溶接
接合されている。

一方真空外筒２３，２４内にて、冷媒供給パイプ１６．
１７を除いて各戻りパイプ１８〜２１の軸端にはそれぞ
れ円環状のフランジ２６〜３３が接合されている。

更に冷媒供給パイプ１６〜１７の間、および各フランジ
２６−２７．２８−２９．３０−３１．３２−３３の間
に跨つｅ金属ベロー３４〜３８がそれぞれベロー保持筒
３９ないし４３とともに架設されている。

ここまでの構成により冷媒供給パイプ１６と１１は金属
ベロー３４で連通結合され、冷媒戻りパイプ１８と１９
の間、および２０と２１の間はそれぞれ金属ベロー３５
と３６、および３１と３８との間に区画された環状の冷
媒通路によって連通結合されることになる。

また金属ベロー３４と３５の間、および３６と３１の間
は前述の真空断熱層２２と連通した真空断熱層が区画形
成されている。

なお図中３９’，４０’は最外周のフランジ３２．３３
を所定位置に保持するための支持体であり断熱材で作ら
れている。

上記の可撓カツプリングを組立てるには、各金属ベロー
２５．３４〜３８が内側から順次溶接接合される。

即ち予じめ金属ベローの一端と溶接接合されたべロー保
持筒４０ないし４３、および外筒２４がそれぞれフラン
ジ２６，２８，３０，３２および回転体１４ｂの外周上
にて左方へずらしてはめ込まれている。

この状態で先ず溶接箇所ａ，Ａが溶接される。

次にべロー保持筒４０を右方へ移動しｂ，Ｂ箇所が溶接
される。

以後外周側のべロー保持筒４１〜４３を順次右方へ移動
し、。

，Ｃ，ｄ，Ｄ，ｅ，Ｅ箇所が溶接される。最後に外筒２
４を右方に移動し、ボルト締めおよび金属ペロー２５と
外筒２３との間の溶接箇所Ｆを溶接して組立が完了する
。

上記の構成によれば、回転子の主軸６と冷媒供給装置の
回転体１４ｂの間、および各冷媒供給パイプ１６−１７
および戻りパイプ１Ｂ−１９．２０−２１同志が可撓カ
ツプリング１５における各金属ベロー３４〜３８を介し
て連通結合されている。

金属ベローはよく知られているように、撓み性と密封性
を備えており、一方端の取付部材より加わる曲げモーメ
ントを吸収し他方端の取付部材へ伝えることがない。

従って超電導回転機の据付けに際して回転子３と冷媒供
給装置１４との間に多少の軸芯不一致、偏心が生じても
、これを許容することができるし、運転中に回転子側に
てすべり軸受８に軸支された回転主軸６に振れまわりそ
の他の振動が生じても、この振れまわりその他の振動は
可撓カツプリング１５内における各金属ベロー２５．３
４〜３８で吸収され、冷媒供給装置の回転体１４ｂへ伝
達されることがない。

従つていかなる場合にも回転子側から冷媒供給装置にお
けるころがり軸受１２へ不当な曲げモーメントの加わる
ことを巧みに防止できる。

更に極低温冷媒による冷却により回転子３および冷媒供
給装置１４０回転体１４ｂに熱収縮が生じても、これを
全く拘束することがなく熱応力の発生が防止できる。

このことにより冷媒供給装置側ではころがり軸受による
安定した軸支持、従って回転体と固定側の冷媒供給管と
の間の細隙を維持しつつ円滑な冷媒の供給、および排出
が行える。

第４図ａ，ｂは第３図に示した実施例と異なる本発明実
施例の構造詳細図である。

図において第３図と同一符号は同一部材を示す。

この実施例によれば、先ず回転子の中空回転主軸６、お
よび冷媒供給装置の回転体１４ｂに収容配置された冷媒
供給パイプ１６．１７、および戻りパイプ１８，１９，
２０，２１は次のように配置されている。

即ち供給パイプ１６．１７は第２図と同様軸中心に配置
され、これに対し戻りパイプ１Ｂ，１９．２０．２１は
供給パイプ１６．１７を中心とするその外方の同一円周
上に並べて分散配置されている。

なお図示例では各系統の戻りパイプはそれぞれ第４図ｂ
で明かなる如く中空空間内に各２本づつ、合計４本の戻
りパイプが同一円周上に並べて配置されているが、特に
２本ずつに限られることはない。

かかる冷媒パイプの分散配置によれば、第３図に示した
同心配置に較べて各冷媒パイプに同径のパイプを使用す
ることができるほか、パイプ点検の際に外方より各冷媒
パイプを単独に目視点検できるなどの利点がある。

前記の冷媒供給パイプおよび戻りパイプの配列に対して
可撓カツブリング１５内の構造は次の如くである。

即ち真空外筒２３．２４内には供給パイプ１６，１７の
間に跨って第３図と同様金属ベロー３４が設置されてい
る。

一方２系列の戻りパイプ１Ｂ−１９．２０−２１に対し
ては、前記の供給パイプの周わりにそれぞれ真空断熱層
を介して同心配置されかつ軸方向に分割された２組のリ
ング状ケース４４〜４１が設置されており、各組のリン
グ状ケースは左右軸端側にてそれぞれ冷媒戻りパイプ１
８〜２１と連通結合されている。

更に各分割リング状ケースのうち４４−４５．４６−４
７との間に跨ってそれぞれ戻りパイプ同志を連通ずる冷
媒通路を形成するよう、２重の同心金属ベロー３５，３
６および３７．３８がベロー保持筒４０〜４３とともに
架設されている。

上記の構成により冷媒供給パイプ１６と１７は金属ベロ
ー３４で連通結合され、冷媒戻りパイプ１８と１９の間
、および２０と２１の間はそれぞれ金属ベロー３５と３
６、および３１と３８との間に区画された環状の冷媒通
路を介して相互に連通結合されることになる。

また金属ベロー３４と３５の間、３６と３７の間は真空
断熱層を介して熱絶縁されている。

上記の可撓カツプリングを組立てるには、第３図の例と
殆んど同様であり、各金属ベローのうち中心の金属ベロ
ー３４から順次外周の金属ベロー２５へ、溶接箇所ａと
Ａ，ｂとＢ，ｃとＣ，ｄとＤ，ｅとＥ％Ｆの順に溶接し
て組立てられる。

第５図ａ，ｂに更に別の実施例の詳細構造を示す。

第５図の実施例では、先ず中空回転主軸６、および冷媒
供給装置の回転体１４ｂ内に収容配置されている冷媒供
給パイプ１６．１７、および戻りパイプ１８〜２１は第
４図に示した実施例と同様に供給パイプ１６．１７を中
心にして戻りパイプ１８〜２１が外周上に分散配置され
ている。

また各系の戻りパイプも各２本づつ計４本が配置されて
いる。

前記の冷媒供給パイプおよび戻りパイプの配列に対して
可撓カツプリング１５内の構造は次の如くである。

即ち金属ベロー２５を介して連結された真空外筒２３，
２４内には、軸中心配置の冷媒供給パイプ１６と１１の
間に跨って第４図と同様に金属ベロー３４がベロー保持
筒３９とともに介在設置されている。

一方冷媒戻りパイプ１８〜２１に対しては、先ず各戻り
バイブにそれぞれＬ字形管継手４８．４９の一端が回転
体１４ｂ側、回転主軸６側にて結合されている。

各管継手４８．４９の他端はいづれも半径方向に向けて
開口されている。

更に互に連通されるべき左右の管継手４８，４９の間に
跨って戻りパイプと同配列に金属ベロー５０がそれぞれ
供給パイプ用金属ベロー３４のまわりに真空断熱層を介
して分散配置されている。

上記金属ベロー５０と左右の管継手４８．４９との間を
連通結合するために特殊構造のべロー保持筒５１，５２
が設置されている。

このベロー保持筒５１．５２は一端が前記管継手４８．
４９の開口端に溶接接合され、他方端が金属ベロー５０
と溶接接合されている。

しかもベロー保持筒５１，５２には管継手４８．４９と
の間の溶接接合部に対向する外周面域に閉塞蓋５３を備
えた溶接作業用窓穴５４が設けられている。

５５は冷媒パイプを所定位置に支持する支持体、５６は
金属ベロー５０が遠心力によって外方へ情曲するのを防
止する支持体であり、ともに断熱材で作られている。

上記の可撓カツプリングを組立てるに際し、矢の実施例
と異なる点は予じめＬ字形管継手４８，４９を各冷媒戻
りパイプ１８〜２１に、またベロー保持筒５１．５２に
金属ベロー５０を溶接接合しておき、先ず冷媒供給パイ
プ１６．１７に対して金属ベロー３４を溶接箇所ａ，ｂ
で溶接する。

次に金属ベロー５０とべロー保持筒５１，５２との組立
体をＬ字形管継手４８，４９の間に橋絡配置し、溶接作
業用の窓穴５４を通して溶接箇所ｃｄを溶接する。

次いで閉塞蓋５３を覆せ、溶接箇所ｅ，ｆを溶接する。

この構成によれば前記の各溶接箇所ａ−ｆはすべて外方
に向いており、組立の際の溶接作業が容易に行える。

また各金属ベローを同心配置させた他の実施例と較べて
、真空外筒２３．２４を外せば外方より各金属ベロー３
４５０が個々に目視点検できて保守、点検に都合がよい
。

第５図実施例の構成により各冷媒供給パイプ１６と１７
の間、各冷媒戻りパイプ１８と１９２０と２１の間、お
よび回転体１４ｂと回転主軸６との間がそれぞれ金属ベ
ロー３４．５０．２５を介して連通結合され、しかも各
冷媒パイプの金属ベロー相互間は断熱真空層を介して熱
絶縁されており、先に述べた第３図、第４図の実施例と
同様な効果を奏し得る。

以上詳記したように本発明の構成によれば、冷媒供給装
置より回転子の中空回転主軸介を通して超電導コイルに
対する冷媒の供給、排出を行わせる超電導回転機におい
て、可撓カツプリングにより冷媒供給装置と回転子相互
間の軸芯の偏心、傾むきを許容して軸支する冷媒供給装
置の軸受に加わる曲げモーメントを小さくしうるととも
に、冷媒通流に伴なう熱収縮を許容して冷媒パイプ相互
間に熱応力が加わるのを良好に防止することができる。

この結果冷媒供給装置における円滑な冷媒の供給、排出
動作が保証され、信頼性を高めることができる。

加えて可撓カツプリングにおける個個の冷媒パイプ間を
結合する金属ベローは相互に真空断熱層を介して分離配
置されているから、冷媒に対する断熱性能を損なうこと
がないなど、本発明により特に回転子の軸受としてすべ
り軸受を採用する大容量機に有利な超電導回転機を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来構成による超電導回転機の断面図、第２図
は本発明に基づく超電導回転機の基本構成図、第３図ａ
，ｂ、第４図ａ，ｂ、第５図ａ，ｂはそれぞれ異なる本
発明実施例による可撓カツプリングの詳細構造を示す互
に異なる方向の断面図である。 ３：回転子、４：超電導コイル、６：中空回転主軸、８
：回転子の軸受、１２：冷媒供給装置のころがり軸受、
１４：冷媒供給装置、１４ａ：固定部、１４ｂ：回転体
、１４ｃ：冷媒供給口、１４ｄ，１４ｅ：冷媒戻り口、
１５：可撓カツプリング、１６．１７：冷媒供給パイプ
、１８〜２１：冷媒戻りパイプ、２２：真空断熱層、２
３，２４：真空外筒、２５．３４〜３８，５０：金属ベ
ロー、４４〜４７：リング状ケース、４８，４９：Ｌ字
形管継手、５１，５２：ベロー保持筒、５３：閉塞蓋、
５４：溶接作業用の窓穴、ａ−ｆ，Ａ−Ｆ：溶接箇所。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ クライオスタットの一部をなす中空回転主軸内を通
   して超電導コイル冷却用の極低温冷媒供給パイプおよび
   戻りパイプを配置した超電導回転機の回転子と、回転子
   とは別個に独自の軸受で軸支された中空回転体内に機外
   の冷媒管路と連通ずる極低温冷媒供給パイプおよび戻り
   パイプを配置した前記回転子と独立構成されてなる冷媒
   供給装置との間を、軸方向においてそれぞれ互に対応す
   る前記冷媒供給パイプ同志の間、冷媒戻りパイプ同志の
   間、および各冷媒パイプを収設した回転子の中空回転主
   軸と冷媒供給装置の回転体との間をそれぞれ個別に連通
   結合し合う金属ベローを備えた可撓カツブリングを介し
   て連結したことを特徴とする超電導回転機。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の超電導回転機において
   、回転子および冷媒供給装置における各冷媒供給パイプ
   と戻りパイプが供給パイプを中心に相互間に真空断熱層
   を介して多重円筒状に同心配置され、更に前記各冷媒パ
   イプ同志を連通結合する可撓カツプリングにおける金属
   ベローが真空断熱層を介して相互に分離された冷媒通路
   を形成するよう同心配置されていることを特徴とする超
   電導回転機。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の超電導回転機において
   、回転子および冷媒供給装置における各冷媒供給パイプ
   と戻りパイプが供給パイプを中心にしてその外方に同一
   円周上に並べて分散配置され、更に前記各冷媒パイプ同
   志を連連結合する可撓カツプリングにおける金属ベロー
   が真空断熱層を介して相互に分離された冷媒通路を形成
   するよう同心配置されていることを特徴とする超電導回
   転機。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の超電導回転機において
   、回転子および冷媒供給装置における各冷媒供給パイプ
   と戻りパイプが、供給パイプを中心にしてその外方に同
   一円周上に並べて分散配置され、更に前記冷媒パイプ同
   志を連通結合する可撓カツプリングにおける金属ベロー
   がそれぞれ前記各冷媒供給バイブおよび戻りパイプの配
   列と同じ配列並び、相互に真空断熱層を介して分散配置
   されていることを特徴とする超電導回転機。 ５ 特許請求の範囲第３項記載の超電導回転機において
   、各冷媒戻りパイプに対応する可撓カツプリング内の冷
   媒通路が、互に隣り合う同心配置の２個の金属ベローを
   １組として、各組ごとに金属ベローを中央に挾む左右軸
   端で金属ベロー同志の間にまたがって設置され、かつそ
   の軸方端の閉塞端面にそれぞれ前記冷媒戻りパイプが開
   口連結されたリング状ケース内に画成されていることを
   特徴とする超電導回転機。 ６ 特許請求の範囲第４項記載の超電導回転機において
   、可撓カツブリングが各冷媒戻りパイプと金属ベローと
   の間に冷媒戻りパイプに一端を結合し他端を半径方向に
   開口するＬ字形管継手と、該Ｌ字形管継手と金属ベロー
   との間に跨って溶接接合されかつＬ字形管継手との間の
   溶接接合部に対応位置してその外周域に閉塞蓋付きの溶
   接作業用の窓穴を設けたべロー保持筒とを備えているこ
   とを特徴とする超電導回転機。